Title (eng)
High temperature electrolysis on model-type La0.6Sr0.4FeO3-δ thin film electrodes
Parallel title (deu)
Hochtemperaturelektrolyse mit La0.6Sr0.4FeO3-δ-Modell-Dünnschichtelektroden
Author
Gregor Walch
Advisor
Jürgen Fleig
Assessor
Jürgen Fleig
Abstract (deu)
Im Hinblick auf eine nachhaltige Energieversorgung ist die Verwendung von alternativen Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie und die Umwandlung des so erzeugten Stromes in speicherbare Formen (z.B. H2) entscheidend. Zur Bewältigung dieser Aufgabe könnten Festoxidelektrolysezellen (solid oxide electrolysis cells, SOECs) beitragen, die ausreichend vorhandene Stoffe wie Wasser oder CO2 in speicherbare chemische Verbindungen (z.B. H2, CO) umwandeln. Auf Grund der höheren Arbeitstemperaturen kann die Elektrolyse mit SOECs effizienter durchgeführt werden als bei niedrigerer Temperatur.
Das heute sowohl in Festoxidbrennstoffzellen als auch -elektrolysezellen unter reduzierenden Bedingungen am meisten verwendete Elektrodenmaterial ist ein Ni/YSZ cermet. An diesem porösen Material wurde im Elektrolysemodus höhere Degradation und niedrigere katalytische Aktivität als für die H2-Oxidation beobachtet. Eine systematische Suche nach neuen Elektrodenmaterialien wird durch eine wohldefinierte Elektrodengeometrie erleichtert, die ein einfacheres Vergleichen der Materialien erlaubt. Akzeptordotierte Perowskite, die sowohl Elektronen- als auch Ionenleitung zeigen, sind vielversprechende Kandidaten, da die Reduktionsreaktion nicht nur - wie in einem cermet - entlang der Dreiphasengrenze stattfinden kann, sondern auf der gesamten Elektrodenoberfläche.
Das Ziel dieser Arbeit war die elektrochemische Charakterisierung von Dünnschicht-Modell-Kathoden aus La0.6Sr0.4FeO3-δ (LSF64) in einer wasserhältigen Gasatmosphäre mit gleichzeitiger Detektion von elektrolytisch erzeugtem H2. Hierzu wurden SOECs mit LSF64-Kathoden, yttrium-stabilisiertem Zirconiumdioxid (YSZ) als Elektrolyt und La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ-Anoden hergestellt. Die LSF64-Dünnschicht wurde mit pulsed laser deposition (PLD) abgeschieden, während das poröse Anodenmaterial als Suspension aufgebracht und anschließend gesintert wurde.
Um die Kathode zu charakterisieren, wurden Strom-Spannungskurven und Impedanzmesssungen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass der Beitrag der porösen Anode zum gesamten Gleichstromwiderstand vernachlässigbar klein ist. Der Elektrolytwiderstand wurde mittels Impedanzspektroskopie gemessen und der entsprechende Spannungsabfall bei der Analyse berücksichtigt.
Die Auswirkungen unterschiedlicher experimenteller Bedingungen auf die Messergebnisse wurden elektrochemisch interpretiert. Der während der Elektrolyse produzierte Wasserstoff wurde mit Hilfe eines Massenspektrometers (MS) detektiert - in diesem neuen Setup erforderte die Quantifizierung mittels MS ausführliche Untersuchungen zur Kalibration bezüglich der Gasmenge. Der gemessene elektrische Strom wurde mit der Änderung der Gaskonzentration über das Faraday’sche Gesetz in Zusammenhang gebracht, wobei die aus den gemessenen Gaskonzentrationen berechneten Ströme gut mit dem elektrisch gemessenen Strom übereinstimmten.
Abstract (eng)
With the aim of ensuring sustainable energy supply in mind, the use of alternative energy sources such as wind or solar power and the conversion of their output into storable forms is a crucial issue. Solid state electrolyzers could accomplish this task by converting electric current and abundant compounds such as water or CO2 into storable chemical compounds (e.g. H2, CO). Because of the higher operating temperature, solid oxide electrolysis cells (SOECs) can be more efficient than electrolysis at lower temperatures.
The most common electrode material under reducing conditions for both SOECs and solide oxide fuel cells to date is the porous Ni/YSZ cermet, which has shown higher degradation in electrolysis mode and lower activity for electrolysis than for H2 oxidation. A systematic search for new electrode materials benefits from a well-defined electrode geometry which allows easier comparison of materials. Acceptor-doped perovskites that exhibit electron as well as ionic conduction are promising candidates because the reduction reaction is not limited to the triple phase boundary (as in a cermet) but can take place on the whole electrode surface.
It was the aim of this work to electrochemically characterize model-type La0.6Sr0.4FeO3-δ (LSF64) thin-film cathodes in an H2O containing gas and to detect the electrolytically produced H2 by a chemical analysis system. SOECs with LSF64 cathodes, yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte and La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ anode were fabricated. The LSF64 thin film was deposited by pulsed laser deposition (PLD), while the porous anode material was applied as a slurry and sintered subsequently.
Current-voltage and impedance measurements were carried out to characterize the cathode. The contribution of the porous anode to the overall DC resistance was shown to be negligible, the resistance of the electrolyte was measured by impedance spectroscopy and the corresponding potential drop could thus subtracted.
The impact of different experimental conditions on the measurements was interpreted electrochemically. For detection of the hydrogen produced during electrolysis a mass spectrometer was employed which required an extensive calibration study of a novel setup. The measured electrical current could be related to the change in gas concentrations by Faraday’s law. Currents calculated from measured gas concentrations and the applied electrical current were in good agreement.
Keywords (eng)
electrolysisceramicshigh temperature electrolysis cellsolid oxide electrolysis cellSOECMSperovskitethin film electrodes
Keywords (deu)
ElektrolyseKeramikHochtemperaturelektrolysezelleFestoxidelektrolysezelleMSPerowskitDünnschichtelektroden
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1295922
rdau:P60550 (deu)
VI, 101 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
110
Association (deu)
Title (eng)
High temperature electrolysis on model-type La0.6Sr0.4FeO3-δ thin film electrodes
Parallel title (deu)
Hochtemperaturelektrolyse mit La0.6Sr0.4FeO3-δ-Modell-Dünnschichtelektroden
Author
Gregor Walch
Abstract (deu)
Im Hinblick auf eine nachhaltige Energieversorgung ist die Verwendung von alternativen Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie und die Umwandlung des so erzeugten Stromes in speicherbare Formen (z.B. H2) entscheidend. Zur Bewältigung dieser Aufgabe könnten Festoxidelektrolysezellen (solid oxide electrolysis cells, SOECs) beitragen, die ausreichend vorhandene Stoffe wie Wasser oder CO2 in speicherbare chemische Verbindungen (z.B. H2, CO) umwandeln. Auf Grund der höheren Arbeitstemperaturen kann die Elektrolyse mit SOECs effizienter durchgeführt werden als bei niedrigerer Temperatur.
Das heute sowohl in Festoxidbrennstoffzellen als auch -elektrolysezellen unter reduzierenden Bedingungen am meisten verwendete Elektrodenmaterial ist ein Ni/YSZ cermet. An diesem porösen Material wurde im Elektrolysemodus höhere Degradation und niedrigere katalytische Aktivität als für die H2-Oxidation beobachtet. Eine systematische Suche nach neuen Elektrodenmaterialien wird durch eine wohldefinierte Elektrodengeometrie erleichtert, die ein einfacheres Vergleichen der Materialien erlaubt. Akzeptordotierte Perowskite, die sowohl Elektronen- als auch Ionenleitung zeigen, sind vielversprechende Kandidaten, da die Reduktionsreaktion nicht nur - wie in einem cermet - entlang der Dreiphasengrenze stattfinden kann, sondern auf der gesamten Elektrodenoberfläche.
Das Ziel dieser Arbeit war die elektrochemische Charakterisierung von Dünnschicht-Modell-Kathoden aus La0.6Sr0.4FeO3-δ (LSF64) in einer wasserhältigen Gasatmosphäre mit gleichzeitiger Detektion von elektrolytisch erzeugtem H2. Hierzu wurden SOECs mit LSF64-Kathoden, yttrium-stabilisiertem Zirconiumdioxid (YSZ) als Elektrolyt und La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ-Anoden hergestellt. Die LSF64-Dünnschicht wurde mit pulsed laser deposition (PLD) abgeschieden, während das poröse Anodenmaterial als Suspension aufgebracht und anschließend gesintert wurde.
Um die Kathode zu charakterisieren, wurden Strom-Spannungskurven und Impedanzmesssungen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass der Beitrag der porösen Anode zum gesamten Gleichstromwiderstand vernachlässigbar klein ist. Der Elektrolytwiderstand wurde mittels Impedanzspektroskopie gemessen und der entsprechende Spannungsabfall bei der Analyse berücksichtigt.
Die Auswirkungen unterschiedlicher experimenteller Bedingungen auf die Messergebnisse wurden elektrochemisch interpretiert. Der während der Elektrolyse produzierte Wasserstoff wurde mit Hilfe eines Massenspektrometers (MS) detektiert - in diesem neuen Setup erforderte die Quantifizierung mittels MS ausführliche Untersuchungen zur Kalibration bezüglich der Gasmenge. Der gemessene elektrische Strom wurde mit der Änderung der Gaskonzentration über das Faraday’sche Gesetz in Zusammenhang gebracht, wobei die aus den gemessenen Gaskonzentrationen berechneten Ströme gut mit dem elektrisch gemessenen Strom übereinstimmten.
Abstract (eng)
With the aim of ensuring sustainable energy supply in mind, the use of alternative energy sources such as wind or solar power and the conversion of their output into storable forms is a crucial issue. Solid state electrolyzers could accomplish this task by converting electric current and abundant compounds such as water or CO2 into storable chemical compounds (e.g. H2, CO). Because of the higher operating temperature, solid oxide electrolysis cells (SOECs) can be more efficient than electrolysis at lower temperatures.
The most common electrode material under reducing conditions for both SOECs and solide oxide fuel cells to date is the porous Ni/YSZ cermet, which has shown higher degradation in electrolysis mode and lower activity for electrolysis than for H2 oxidation. A systematic search for new electrode materials benefits from a well-defined electrode geometry which allows easier comparison of materials. Acceptor-doped perovskites that exhibit electron as well as ionic conduction are promising candidates because the reduction reaction is not limited to the triple phase boundary (as in a cermet) but can take place on the whole electrode surface.
It was the aim of this work to electrochemically characterize model-type La0.6Sr0.4FeO3-δ (LSF64) thin-film cathodes in an H2O containing gas and to detect the electrolytically produced H2 by a chemical analysis system. SOECs with LSF64 cathodes, yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte and La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ anode were fabricated. The LSF64 thin film was deposited by pulsed laser deposition (PLD), while the porous anode material was applied as a slurry and sintered subsequently.
Current-voltage and impedance measurements were carried out to characterize the cathode. The contribution of the porous anode to the overall DC resistance was shown to be negligible, the resistance of the electrolyte was measured by impedance spectroscopy and the corresponding potential drop could thus subtracted.
The impact of different experimental conditions on the measurements was interpreted electrochemically. For detection of the hydrogen produced during electrolysis a mass spectrometer was employed which required an extensive calibration study of a novel setup. The measured electrical current could be related to the change in gas concentrations by Faraday’s law. Currents calculated from measured gas concentrations and the applied electrical current were in good agreement.
Keywords (eng)
electrolysisceramicshigh temperature electrolysis cellsolid oxide electrolysis cellSOECMSperovskitethin film electrodes
Keywords (deu)
ElektrolyseKeramikHochtemperaturelektrolysezelleFestoxidelektrolysezelleMSPerowskitDünnschichtelektroden
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1295923
Number of pages
110
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